摘 要: 本文提出了一种基于ICP 刻蚀以及静电键合工艺的新型微机械加速度计结构, 并通过MATLAB 软件对该加速度计系统进行了仿真. 这种框架结构可以有效地增大结构静态电容, 以便在闭环工作时能产生更大的静电力. 它的整体尺寸为2 800 um x 3 000 um x 60 um, 结构惯性质量为0. 14 mg n, 静态电容为3. 618 pF, 抗过载能力超过5 000 gn . 通过系统仿真,该加速度计的电压灵敏度为90 mv / g n, 量程为± 50 g n, 系统带宽是10 kH z.
关键词: 微机械加速度计; 闭环系统; 框架结构; 差分电容式
目前, 随着微机械加工技术的不断成熟, 由于硅微机械加速度计的体积小、成本低、工作带宽宽等优点得到了广泛的应用, 已经在传感器市场占据着越来越重要的地位, 小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向[ 1-2] . 但随着科学技术和生产的发展, 对加速度计提出了越来越高的要求: 测量系统应具有宽的频率响应, 大的动态范围, 高的灵敏度, 大的量程等, 采用开环测量系统很难同时满足上述诸多方面的要求, 因此利用反馈控制技术与传感器技术相结合而形成的闭环力平衡式微机械加速度计系统已成为人们研究的热点[ 3-4] .
传统的体硅工艺电容式加速度计结构已被广泛的应用于开环加速度系统之中, 例如, 我们工作组已成功地研制出了带有自检测功能的双片集成加速度计, 它的灵敏度是18 mV/ gn, 工作带宽为1 kHz[ 5] . 但通常传统的加速度计结构静态电容比较小, 在闭环工作时不容易被静电力驱动, 这将对其接口电路提出更高的要求.
本文提出的这种新的加速度计结构可以有效地增大静态电容, 并能合理地控制惯性质量, 使得该结构适于工作在闭环系统中. 使用MAT LA B 软件对该加速度计进行系统仿真, 得出该传感器有着灵敏度高, 带宽宽等特点.
1 加速度计结构设计
所设计的框架结构加速度计示意图如图1 所示.
与以往的加速度计结构相比, 它使用框架状质量块代替传统的块状质量块, 在质量块内外两侧均分布有梳齿电极, 使得该结构相对静态电容比较大.带有活动梳齿的框架状质量块通过弹性梁固定在锚点上, 而锚点又是连接在上下两侧的键合块上的, 各键合块通过键合固定在玻璃衬底上. 活动梳齿与固定梳齿交错搭配, 形成一组检测电容CS 和一组驱动电容C f . 该结构共有活动梳齿60 对, 其中14 对用作检测电极, 其余46 对作为驱动电极.
当有敏感方向的加速度信号作用到此加速度计上时, 框架状质量块以及活动梳齿会产生一个惯性力, 使弹性梁发生形变, 活动梳齿相对于固定梳齿会有一位移, 从而改变检测电容极板间距, 改变其电容值. 通过外部接口电路对该电容变化进行检测, 就可以得到相应的电压输出. 而当非敏感方向有加速度作用时, 结构机械灵敏度非常低, 并且由于该结构的左右对称性, 最终不会有差分电容信号输出, 也就不会有电压输出.
传感器结构性能参数之间有很多是相互矛盾的量, 例如, 灵敏度与谐振频率; 灵敏度与抗过载能力等, 在结构设计过程中要综合考虑各参数. 本文在考虑了各影响因素同时, 使用ANSYS 有限元分析软件对该结构进行建模、分析, 最终得到较为优化的结构.根据模拟结果, 该加速度计结构在敏感方向1g载荷的作用下, 产生的最大位移( DMX) 为2. 94 x 10-9m, 即它的机械灵敏度为2. 94 x 10-9 m/ gn . 在不同方向加载5 000 gn 载荷时, 结构内部产生的最大应力为0. 17 GPa, 而硅材料所能承受的最大应力为7 GPa, 可见, 该结构抗过载能力远大于5 000 gn .
2 闭环系统模型建立
对于闭环系统, 稳定性是一个重要问题, 假如参数选择不当, 将会造成系统振荡, 甚至使系统完全失去控制[ 6] . 因此, 对于闭环加速度计, 只做结构仿真是远远不够的, 还必须从系统角度对该传感器做更全面的分析. 为此, 本文使用MATLAB 建立了该加速度计的闭环系统模型, 并通过模拟得出了一些闭环仿真的结果.
2. 1 敏感元件模型建立
根据有限元分析, 该结构的一阶谐振方向是在X-Y 平面内沿Y 方向, 即此传感器的敏感方向, 而二阶及二阶以上的谐振频率均远高于一阶谐振频率, 因此该加速度计工作在低频段时可用传统的质量-弹簧-阻尼系统来分析, 如图2 所示[ 7-9] .
根据牛顿力学原理, 该模型的微分方程为:
其中, m 为框架状质量块以及活动梳齿的总质量, X 为活动电极偏离平衡位置的位移, b 为系统的阻尼系数, K 为弹性梁的弹性系数, a 为输入的加速度.对方程( 1) 进行Laplace 变换, 可以得到系统的传输函数为:
2. 2 位移信号检测模型
外电路对位移信号检测的示意图如图4 所示,平衡状态时两检测电容值相等:
可见, 通过差分电容对加速度信号进行检测, 可以得到与位移成正比的电压信号, 又由于该位移信号与输入加速度信号成正比, 可知最终输出的电压信号是与加速度信号成线性关系. 该电压信号是经过高频载波调制的高频信号, 为得到与输入加速度同频率的信号, 还要经过解调、滤波. 在设计的接口电路中解调过程是通过比较器实现对MOS 开关的控制, 使输入信号在正半周期导通, 负半周期发生翻转, 该过程可用MAT LAB 中的可控开关来实现. 为了减少信号传输过程中的相移, 提高系统稳定性, 电路中所使用的滤波器阶数为一阶. 建立如图5 所示模型, 可得到与输入加速度相应的电压信号.
2. 3 静电力反馈模型
力反馈过程是将输出的电压通过反馈回路反馈到活动电极, 使活动极板与固定极板上的电势差发生改变, 从而产生与反馈电压成正比的静电力, 使活动极板维持在平衡位置附近振动. 力反馈过程的示意图如图6 所示. 固定上极板接电源电压VC C , 下极板接零电位, Vf 为反馈电压, 也是传感器的输出电压V0 . 由于梳齿的非均匀分布, 两侧的固定梳齿对中间活动梳齿共有四个力的作用, 即图中所示F1、F2、F3 、F4 . 根据平行板间静电力的计算, 极板间产生的静电力F 为,
其中C 为驱动电容的大小, V 为极板间所加的电压, d 为极板间距离. 随着反馈电压Vf 的变化, 极板间电压V 将发生变化, 这四个静电力的大小也都随之变化. 建立相应模型, 可以得到它们的合力F =F1 - F2 - F3 + F4 , 如图7 所示. 综合一起, 构成整个传感器闭环结构的系统模型.
对此模型进行仿真, 可以得到传感器的整体性能参数, 并且, 当反馈力支路断开时, 又可以得到各项开环性能参数, 以便于对传感器闭环性能与开环性能进行比较. 通过比较可以很直观地体现出传感器闭环效果.
2. 4 传感器闭环系统模型
加速度传感器闭环系统由敏感元件模块、检测电路模块与静电力反馈单元构成, 其系统组成如图8 所示.
3 仿真结果分析
闭环系统和开环系统的主要差别是通过反馈静电力的作用使活动质量块在平衡位置附近振动, 弹性梁的形变量很小, 而加速度在质量块上产生的惯性力主要用静电力去平衡. 通过比较加速度计开环工作和闭环工作时的位移, 可以很直观地看出整个传感器系统的闭环效果, 如果位移相差很大, 则表明该加速度计能产生足够大的静电力来维持闭环工作. 如图9 所示, 曲线1 为加速度计开环工作时位移曲线, 曲线2 为闭环位移曲线, 从图中曲线可以看出闭环工作时, 活动极板位移远小于开环工作时的位移, 即该加速度计可以产生足够大的静电力来平衡惯性力. 对系统进行频域分析, 以观察其幅频特性与相频特性. 通过对幅频特性与相频特性的分析, 可以得出系统的工作带宽, 如图10 所示. 其中曲线3 为闭环系统的频域分析曲线, 曲线4 是开环系统的曲线. 从曲线上可以看出, 闭环系统工作带宽要高于开环系统. 同时可以看出, 闭环系统的带宽高于10 kHz. 同时, 本文还通过对系统输出电压的仿真,得到该加速度计电压输出灵敏度是90 mV / g.
4 结 论
采用框架状质量块, 可以减小传感器结构的一维尺寸, 使得框架状质量块边框可以做的很窄, 整个活动部分的质量主要由活动梳齿提供, 于是在质量相同的情况下可将电容做的很大, 以便于接口电路对其进行检测, 同时可为反馈提供更大的静电力. 经过有限元分析, 该结构具有较高的抗过载能力和较大的灵敏度. 对闭环系统进行仿真, 得出该加速度计灵敏度为90 mV/ gn, 通过比较, 闭环系统工作带宽远高于开环系统带宽. 综上, 本文提出了一种适用于闭环工作的新型加速度计结构, 采用此结构可以增大传感器力反馈效果, 有利于提高闭环加速度计性能.
参考文献:
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